王莊煤礦綜放工作面小煤柱寬度優(yōu)化分析

楊寶貴 王俊濤 宋曉波 孟秀峰 朱宏宇

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.山西煤炭管理干部學(xué)院，山西省太原市，030006）

王莊煤礦綜放工作面小煤柱寬度優(yōu)化分析

楊寶貴1王俊濤1宋曉波1孟秀峰2朱宏宇1

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.山西煤炭管理干部學(xué)院，山西省太原市，030006）

根據(jù)潞安集團(tuán)王莊煤礦地質(zhì)條件，應(yīng)用理論計(jì)算方法計(jì)算出了大采高綜放工作面護(hù)巷小煤柱的合理寬度。采用三維數(shù)值模擬軟件FLAC3D對大采高綜放工作面開采過程進(jìn)行模擬分析，模擬采用不同寬度小煤柱護(hù)巷時(shí)在煤柱留設(shè)時(shí)期和工作面回采時(shí)期煤柱受力及巷道變形情況，通過煤柱受力和巷道變形的對比，對小煤柱的寬度進(jìn)行優(yōu)化，確定了合理的小煤柱寬度。

綜放工作面 小煤柱寬度 數(shù)值模擬 巷道圍巖 圍巖變形

為進(jìn)一步提高煤炭資源的回收率，潞安集團(tuán)各個(gè)生產(chǎn)礦井開展了厚煤層綜放開采小煤柱留設(shè)與支護(hù)方面的研究工作，先后在多地實(shí)施了小煤柱護(hù)巷技術(shù)，取得了一定的成果和經(jīng)驗(yàn)。但是由于小煤柱護(hù)巷巷道的受力環(huán)境、受采動(dòng)影響程度與普通綜放開采不同，小煤柱的穩(wěn)定性直接關(guān)系到沿空巷道的穩(wěn)定性，故如何合理確定小煤柱寬度，在盡量減少煤損的同時(shí)，較好地保持煤柱與巷道的完好和穩(wěn)定需要深入研究。

1 工程概況

王莊煤礦現(xiàn)生產(chǎn)能力達(dá)到710萬t／a，為潞安礦區(qū)大型生產(chǎn)礦井之一。研究工作面所采煤層為沁水煤田3＃煤層，賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊型沉積，煤層厚度穩(wěn)定，傾角2～6°，總厚為7.07m，平均厚度約6.65m。全煤層含夾矸5層，其中上分層含夾矸2層，下分層含夾矸3層，總厚度0.42m，煤層結(jié)構(gòu)為0.55（0.05）0.29（0.22）3.81（0.02）0.53（0.1）0.8（0.03）0.67，可采指數(shù)Km＝1，變異系數(shù)為8.42%。

工作面地面標(biāo)高928～930m，工作面標(biāo)高656～735m。工作面北面為上區(qū)段工作面進(jìn)風(fēng)巷，東面是南村小煤礦煤柱，西面為采區(qū)帶式輸送機(jī)巷和軌道巷，南面為已采工作面。底分層采高3.0±0.1m，循環(huán)進(jìn)度0.8m。該工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷可采長度均為671m，工作面切眼長224m，煤層計(jì)算厚度6.65m，容重為1.4t／m3，工業(yè)儲(chǔ)量1349354t，設(shè)計(jì)采出量1254899t，可采期140d。

煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡單，節(jié)理發(fā)育；直接頂為砂質(zhì)泥巖、泥巖；老頂為砂巖、中砂巖；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖。

2 護(hù)巷小煤柱寬度理論計(jì)算

在小煤柱護(hù)巷巷道掘進(jìn)過程中，考慮煤柱的應(yīng)力場、位移場的分布特征，煤柱的寬度將會(huì)影響巷道的圍巖應(yīng)力狀態(tài)和圍巖的位移場分布，巷道留設(shè)成功與否在很大程度上取決于煤柱的寬度是否合理。

由于沿已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘巷，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，對巷道的維護(hù)十分有利，但是煤柱的寬度過小將嚴(yán)重影響煤柱的穩(wěn)定性，合理確定小煤柱尺寸時(shí)，需遵循以下幾個(gè)原則：

（1）使煤柱及巷道處于良好的應(yīng)力環(huán)境中，如布置在應(yīng)力降低區(qū)。

（2）從巷道開挖到變形穩(wěn)定需要一定的時(shí)間。

（3）確保由小煤柱保護(hù)的巷道能夠在生產(chǎn)期間保持穩(wěn)定。

（4）盡可能地減小煤柱的寬度，提高資源利用率。

此次研究采用極限平衡理論相應(yīng)公式計(jì)算確定小煤柱的寬度，小煤柱寬度按式（1）、（2）計(jì)算，有關(guān)參數(shù)參考現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)。

式中：B——小煤柱寬度，m；

φ——煤體的內(nèi)摩擦角，27°；

x1——煤柱塑性區(qū)寬度，m；

x2——錨固深度，1.8m；

x3——附加安全寬度，0.5m；

m——小煤柱維護(hù)巷道高度，3.5m；

γ——巖層容重，25kN／m3；

C0——煤體內(nèi)聚力，2MPa；

A——側(cè)壓系數(shù)，計(jì)算得0.33；

H——巷道埋深，240m；

k——應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5；

P0——支護(hù)阻力，

將相關(guān)的參數(shù)帶入式（1）、（2），得小煤柱寬度理論計(jì)算值為4.08m。由于計(jì)算模型設(shè)計(jì)時(shí)對實(shí)際的生產(chǎn)條件進(jìn)行了一定的簡化，理論計(jì)算的數(shù)值只能作為工程實(shí)踐中選擇煤柱寬度的參考。

3 數(shù)值模擬優(yōu)化分析

根據(jù)理論計(jì)算部分可知，小煤柱寬度的計(jì)算結(jié)果為4.08m，上覆關(guān)鍵層斷裂線的位置距采空區(qū)側(cè)煤壁的距離計(jì)算公式為：

式中：X0——斷裂線的位置距采空區(qū)側(cè)煤壁的距離，m；

P1——支架對煤幫的阻力，0.79MPa；

H——巷道埋深，240m；

C0——煤體內(nèi)聚力，2MPa；

k——應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5；

h——煤層開采厚度，6.65m；

f——煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)，取0.1；

φ——煤體的內(nèi)摩擦角，27°；

γ——上覆巖層平均容重，25kN／m3；

將相關(guān)的參數(shù)帶入式（3），得上覆關(guān)鍵層斷裂線的位置距采空區(qū)側(cè)煤壁的距離為5.3m。

研究工作面沿空掘進(jìn)巷道寬度為4.5m，高度為3.2m，采用全錨網(wǎng)的支護(hù)方式。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，留設(shè)煤柱的寬度太小，則煤柱的穩(wěn)定性不能得到保證；由式（3）的計(jì)算結(jié)果可知，如果煤柱的寬度太大，則上覆關(guān)鍵層斷裂線位置位于煤柱的上方，煤柱將承受較大的壓力，煤柱會(huì)產(chǎn)生破壞。參照式（1）和式（3）的計(jì)算結(jié)果，考慮到留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性和沿空巷道護(hù)巷煤柱的布置盡可能避開斷裂線位置，數(shù)值模擬中主要對小煤柱寬度為4m、5m和6m3種情況進(jìn)行分析。

3.1 模型的建立

FLAC3D是一種用于模擬固體模型力學(xué)特性及變形特征的三維數(shù)值模擬軟件，通過對模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，采用三維顯式有限差分法進(jìn)行分析，可以較好地模擬材料達(dá)到屈服極限或強(qiáng)度極限后產(chǎn)生的塑性流動(dòng)和破壞，尤其適合于模擬分析漸進(jìn)破壞失穩(wěn)和變形較大的巖土力學(xué)問題。

為了消除邊界效應(yīng)以及簡化計(jì)算，根據(jù)地質(zhì)地形圖、柱狀圖及巖層參數(shù)，并結(jié)合該礦采煤工作面作業(yè)規(guī)程，建立的模型x方向（工作面傾向方向）長532m，工作面傾向長224m；y方向（工作面走向方向）長160m，推進(jìn)長度100m；z方向高71.4m。由于計(jì)算模型主要考察回采巷道的圍巖變形和破壞情況，本次研究采用不等分方式對計(jì)算模型單元?jiǎng)澐?，共劃分?0900個(gè)長方體單元和98022個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。在模型中限制除了頂面的其余5個(gè)方向的位移，同時(shí)對模型側(cè)面施加水平應(yīng)力，對模型的上部施加上覆巖層的自重應(yīng)力，研究范圍內(nèi)的巖層采用莫爾－庫侖模型。

為了較為系統(tǒng)、合理地研究和模擬下區(qū)段工作面護(hù)巷小煤柱在掘巷時(shí)期和本區(qū)段工作面回采時(shí)期的力學(xué)行為，計(jì)算模型及參數(shù)的選取應(yīng)盡可能地符合開采的實(shí)際情況，并參考現(xiàn)場提供的資料和有關(guān)巖石力學(xué)書籍確定相關(guān)的參數(shù)。此外，模擬計(jì)算還涉及一些附加材料，如采空區(qū)跨落矸石及支護(hù)結(jié)構(gòu)等，根據(jù)材料的力學(xué)行為和破壞特點(diǎn)及其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對這些材料的力學(xué)參數(shù)作了適當(dāng)調(diào)整。經(jīng)過初始平衡計(jì)算，開采區(qū)域的原巖應(yīng)力值約為5.3 MPa。

3.2 計(jì)算結(jié)果

對于礦山工程來說，從原始平衡狀態(tài)直到工作面的開采結(jié)束是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在這個(gè)過程中巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為除了與結(jié)構(gòu)本身的物理力學(xué)特性有關(guān)外，與其荷載以及載荷的加載過程具有非常直接的關(guān)系。因此，對于礦山工程的巖體結(jié)構(gòu)來說，巖體當(dāng)前所表現(xiàn)的力學(xué)行為既是對過去不同開采時(shí)期巖體狀況疊加后的一種綜合反應(yīng)，也會(huì)對將來的開采過程和開采結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。因此，在對小煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，必須模擬工作面整個(gè)開采過程。

數(shù)值模擬模型建立后，具體的數(shù)值模擬過程為：初始平衡狀態(tài)→上區(qū)段工作面回采→本區(qū)段工作面沿空巷道掘進(jìn)→本區(qū)段工作面回采。每個(gè)步驟結(jié)束后，進(jìn)行相應(yīng)時(shí)間步的運(yùn)算，待狀態(tài)平衡后，運(yùn)用PLOT后處理軟件繪出所需要的圖形并加以分析處理。

通過對王莊煤礦研究工作面開采過程的數(shù)值模擬，得出了分別采用寬度為4m、5m和6m的護(hù)巷煤柱護(hù)巷時(shí)，巷道在掘進(jìn)時(shí)期和本區(qū)段工作面回采時(shí)期的兩幫移近量、頂?shù)装逡平恳约靶∶褐鶅?nèi)的垂直應(yīng)力分布情況，經(jīng)過分析繪出相應(yīng)的曲線圖，如圖1～圖6所示。

4 對比分析

4.1 不同寬度區(qū)段煤柱護(hù)巷巷道兩幫移近量分析

圖1和圖2分別為掘巷時(shí)期和工作面回采時(shí)期不同寬度煤柱護(hù)巷條件下巷道兩幫移近量曲線圖，掘巷和開采時(shí)期巷道兩幫最大移近量見表1。

表1 掘巷和開采時(shí)期巷道兩幫最大移近量

在兩個(gè)不同的時(shí)期，巷道兩幫最大變形都發(fā)生在巷幫的中部附近。在工作面回采過程中，由于受到本區(qū)段工作面采動(dòng)影響，巷道兩幫的變形量較大。無論是在巷道留設(shè)期間還是在本區(qū)段工作面回采期間，采用寬度為5m的煤柱護(hù)巷，巷道兩幫產(chǎn)生的變形量相對較小，尤其是在工作面回采期間巷道兩幫的變形較為均勻，相對更易維護(hù)。

4.2 不同寬度區(qū)段煤柱護(hù)巷頂?shù)装逡平糠治?/h3>

圖3和圖4分別為掘巷時(shí)期和工作面回采時(shí)期不同寬度煤柱護(hù)巷條件下巷道頂?shù)装逡平壳€圖，掘巷和開采時(shí)期巷道頂?shù)装遄畲笠平恳姳?。

在巷道的掘進(jìn)過程和工作面的回采過程中，巷道頂?shù)装逡平康淖畲笪恢镁陧數(shù)装宓闹胁扛浇?。在工作面回采過程中由于受到本區(qū)段工作面采動(dòng)的影響，巷道頂?shù)装宓囊平枯^大。分析表2中數(shù)據(jù)可知，用寬度為5m的煤柱護(hù)巷，在兩個(gè)不同的時(shí)期巷道頂?shù)装瀹a(chǎn)生的變形量相對較小，能夠保證工作面回采的順利進(jìn)行。

表2 掘巷和開采時(shí)期巷道頂?shù)装遄畲笠平?/p>

4.3 不同寬度護(hù)巷煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布分析

圖5和圖6分別為掘巷時(shí)期和工作面回采時(shí)期不同寬度煤柱護(hù)巷條件下小煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布曲線圖，掘巷和開采時(shí)期煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力見表3。

表3 掘巷和開采時(shí)期煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力

煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力是隨著護(hù)巷煤柱的寬度的增大而增大的。根據(jù)對工作面未開采之前的原始平衡狀態(tài)的模擬，巖層的原巖應(yīng)力大約為5.3MPa左右，過大的煤柱寬度會(huì)使得煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中系數(shù)增大，這對巷道的支護(hù)是不利的，所以采用寬度為5m以下的護(hù)巷煤柱較為適宜。

通過對比分析可知：由于受到工作面采動(dòng)影響，工作面回采期間巷道的變形量明顯大于巷道掘進(jìn)時(shí)巷道的變形量，寬度為5m的煤柱能夠在更好地維護(hù)巷道穩(wěn)定的同時(shí)，節(jié)約支護(hù)成本，提高煤炭的采出率。

5 結(jié)論

合理的小煤柱寬度應(yīng)該能夠保證巷道在工作面的整個(gè)回采過程中保持穩(wěn)定。根據(jù)對煤柱中產(chǎn)生的巷道圍巖破碎范圍的力學(xué)計(jì)算，從理論上計(jì)算出護(hù)巷小煤柱的合理寬度為4.08m。以理論計(jì)算的結(jié)果為依據(jù)，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對寬度為4m、5m和6m煤柱護(hù)巷下，巷道在掘巷期間和工作面回采期間兩幫移近量、 頂?shù)装逡平恳约白o(hù)巷煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬的結(jié)果，王莊煤礦大采高綜放工作面護(hù)巷小煤柱的寬度取5m。實(shí)踐效果證明，通過注漿加固等支護(hù)措施，5m寬的小煤柱能夠在工作面的生產(chǎn)過程中保持穩(wěn)定，保證工作面生產(chǎn)順利進(jìn)行。理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法能夠更為科學(xué)、可靠的確定小煤柱的寬度，為今后工作面開采選取小煤柱的寬度提供依據(jù)。

［1］ 趙國貞，馬占國，馬繼剛等.復(fù)雜條件下小煤柱動(dòng)壓巷道變形控制研究［J］.中國煤炭，2011（3）

［2］ 李彥群，肖建新，金兆生等.曉明礦提高煤炭資源回收率的作法［J］.中國煤炭，2007（5）

［3］ 王自宏.無煤柱開采技術(shù)實(shí)踐［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2010（S1）

［4］ 吳有增.綜放小煤柱留巷及圍巖控制技術(shù)研究［J］.中國煤炭，2010（6）

［5］ 徐信增.綜放面小煤柱護(hù)巷技術(shù)研究［J］.山東煤炭科技，2010（5）

［6］ 李偉，袁秋新，劉永等.回采巷道小煤柱護(hù)巷合理值及合理送巷時(shí)間研究［J］.錨桿支護(hù)，2011（1）

［7］ 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

［8］ 柏建彪，侯朝炯，黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（20）

Optimization of narrow coal pillar width at fully－mechanized caving face of Wangzhuang Coal Mine

Yang Baogui1，Wang Juntao1，Song Xiaobo1，Meng Xiufeng2，Zhu Hongyu1
（1.School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Shanxi Coal Mining Administrators College，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

Based on the geological conditions of Wangzhuang Coal Mine of Lu’an Mining Industry Group，the reasonable width of narrow coal pillar at fully－mechanized caving face was figured out by the theoretical calculation method.FLAC3D，apopular 3Dnumerical simulation software，was used on the simulation analysis of the whole mining process of fully－mechanized caving with large mining height.The force on the coal pillar and deformation of roadway under pressure was simulated according to different periods of coal pillar setting up and mining at the caving face with the supporting by narrow coal pillars with varied widths.And the reasonable width of narrow coal pillar was optimized and determined.

fully－mechanized caving face，narrow coal pillar width，numerical simulation，surrounding rock，deformation of surrounding rock

TD322

A

楊寶貴（1967－），男，江蘇大豐人，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）副教授，現(xiàn)從事礦山壓力與巖層控制及充填采礦方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）